Революционная технология, разработанная исследователями Корнельского университета, использует наноразмерные датчики и волоконную оптику для измерения состояния воды прямо на поверхности листа, где вода в растениях наиболее активно регулируется.
Этот инженерный подвиг представляет собой минимально инвазивный исследовательский инструмент, который значительно продвинет понимание основ биологии растений и откроет двери для выращивания более засухоустойчивых культур. Со временем технология может быть адаптирована для использования в качестве агрономического инструмента для измерения состояния воды в сельскохозяйственных культурах в режиме реального времени.
Исследование кукурузы «Минимально разрушительный метод измерения водного потенциала растений с использованием гидрогелевых нанорепортеров» опубликовано 1 июня в Трудах Национальной академии наук.
«Одна из целей состоит в том, чтобы иметь инструменты, позволяющие выражать внутреннюю биологию в мире таким образом, чтобы ее можно было зафиксировать и оцифровать», – сказал старший автор Абрахам Строок, профессор Школы химической и биомолекулярной инженерии Смита в колледже. инженерии.
«Современные методы измерения водного потенциала требуют деструктивного отбора проб листьев или нарушения функции листьев», – сказал соавтор исследования Пиюш Джайн, докторант кафедры машиностроения.
По его словам, новый метод «обеспечивает минимально разрушительные и пространственно-временные измерения водного потенциала в листьях интактных растений."
За пределами транспортных тканей листьев, называемых ксилемой (жилками), находится внутренняя зона, называемая мезофиллом, где происходит большая часть фотосинтеза растения и водного стресса.
Биологи подозревают, что отсюда посылаются сигналы остальной части завода для управления водой. Кроме того, на поверхности листьев и стеблей поры, называемые устьицами, открываются и закрываются, чтобы контролировать скорость обмена газов, в основном водяного пара и углекислого газа.
В этой микроскопической зоне работает новая технология.
"Сейчас мы чувствуем воду прямо в этом месте терминала", – сказал Строок. «Мы показали, что, получая такие локальные измерения, мы можем анализировать динамику воды в тканях» минимально инвазивными способами, – сказал он.
Методика включает введение наночастиц, образованных из мягкого синтетического гидрогеля, называемого AquaDust, для измерения водного потенциала листа. Гидрогель, который занимает интерстициальные пространства между клетками в мезофилле, является водопоглощающим, набухает и сжимается в зависимости от наличия воды в листе.
AquaDust содержит красители, взаимодействие которых позволяет ему флуоресцировать на разных длинах волн в зависимости от того, насколько близко молекулы красителя расположены друг к другу. Используя волоконную оптику, исследователи могут направить свет и вернуть спектр, который обеспечивает измерение потенциала воды внутри листа.
В ходе исследования ученые вводили AquaDust в несколько мест вдоль метровых листьев кукурузы, а затем измеряли градиенты воды как по длине листьев, так и через мезофилл. Эти измерения позволили им разработать модель реакции тканей на водный стресс и точно предсказать динамику, наблюдаемую в полевых условиях.
Эта технология может найти коммерческое применение в исследованиях сельскохозяйственных культур, сельском хозяйстве и обрабатывающей промышленности, но на данный момент внимание исследователей сосредоточено на бесценных измерениях физиологии управления водными ресурсами растений на очень местном уровне.
В качестве исследовательского инструмента он позволяет биологам-растениям лучше понять крайности водного стресса, который может привести к выведению более водосберегающих сельскохозяйственных культур.